大工普通化學(xué)市公開課獲獎?wù)n件

1、4.4 電解及其應(yīng)用 4.4.1 電解基本原理 4.4.2 分解電壓 4.4.3 超電壓 4.4.4 電解產(chǎn)物判斷 4.4.5 電解原理在工程實(shí)際中應(yīng)用 1第1頁第1頁4.4.1 電解基本原理 電解裝置水溶液+-陽極陰極電 解 池直流電源M+X-2第2頁第2頁 在電解池內(nèi)，陽極(anode)與電源正極相連，發(fā)生氧化反應(yīng)；陰極(cathode)與電源負(fù)極相連，發(fā)生還原反應(yīng)。 借助于外加直流電源使氧化還原反應(yīng)得以實(shí)現(xiàn)過程稱為電解(electrolysis) 。進(jìn)行電解裝置稱電解池(electrolytic cell)。電解過程是將電能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能。3第3頁第3頁 正負(fù)離子在電極上得失電子過程稱放(

2、discharge)。 正負(fù)離子在電極上得失電子是同時進(jìn)行。如電解CuCl2溶液： 陽極反應(yīng) ： 2Cl = Cl2 + 2e- 氧化反應(yīng)陰極反應(yīng) ： Cu2+ + 2e- = Cu 還原反應(yīng)4第4頁第4頁3.原電池電子流方向從負(fù)極流向正極， 電解池電子流方向：從陽極經(jīng)電源流向陰 極。1.原電池是把化學(xué)能轉(zhuǎn)成電能裝置； 電解池是把電能轉(zhuǎn)成化學(xué)能裝置。2.氧化反應(yīng):負(fù)極(原電池)陽極(電解池) 還原反應(yīng):正極(原電池)陰極(電解池)原電池和電解池比較：5第5頁第5頁4.4.2 分解電壓AVNaOHPt伏特計(jì)電流計(jì)R分解電壓測定圖電流密度電壓6第6頁第6頁NaOH溶液+-陽極 e-陰極e-O2H2

3、正極負(fù)極e-e-電 解 池直流電源7第7頁第7頁以Pt為電極電解0.1 moldm3 NaOH溶液為例: 陽極反應(yīng)： 4OH = O2 + 2H2O + 4e- 陰極反應(yīng)： 2H + + 2e - = H2 兩極產(chǎn)物O2和H2分別吸附在Pt電極上，構(gòu)成了氫-氧原電池，該原電池電子流方向正好與外加電源電子流方向相反，即形成了一個與外加電壓相反電動勢，稱反向電動勢(back electromotive force)。8第8頁第8頁 形成氫-氧原電池正極反應(yīng)： O2 + 2H2O + 4e- = 4OH 負(fù)極反應(yīng)： 2H + + 2e - = H2 電動勢: E = E(+) - E(-)已知：E

4、(O2/ OH)=0.4009V (pO2=100kPa)E(+) = E (O2/ OH) = 0.4009V + lg = 0.46V0.0592V41(0.1)49第9頁第9頁 E (H+ / H2 )=0 V ( pH2=100kPa) E() = E (H+/ H2) = 0+ lg (1013)2 = 0.77 V E=E(+) E() = 0.46V(0.77V) =1.23 V 0.0592V210第10頁第10頁 理論計(jì)算反向電動勢稱理論分解電壓(theory decomposition voltage)， 用E理分表示。 使電解反應(yīng)得以順利進(jìn)行最低電壓稱實(shí)際分解電壓(act

5、ual decomposition voltage)，用E實(shí)分表示。 試驗(yàn)證實(shí)： E實(shí)分 E理分11第11頁第11頁E理分和E實(shí)分計(jì)算：E理分= E陽 理 E陰 理E實(shí)分= E陽 實(shí) E陰 實(shí)12第12頁第12頁 4.4.3 超電壓由 E實(shí)分 E理分 可知： 在陰陽極上析出產(chǎn)物時，實(shí)際電極電勢(或稱析出電勢)與理論電極電勢(或稱平衡電勢)有偏差。這種偏差稱電極極化(polarization)。把某一電流密度下實(shí)際析出電勢與平衡電勢之差絕對值稱為超電勢(over potential) ,用表示。 1.濃差極化 2.電化學(xué)極化13第13頁第13頁1.濃差極化 陽極還原態(tài)放電被氧化，電極附近還原態(tài)濃

6、度減小，使陽極電極電勢增大； 陰極氧化態(tài)放電被還原，電極附近氧化態(tài)濃度減小，使陰極電極電勢減小。 兩極極化結(jié)果使分解電壓增長。 這種由濃度差別引起偏差稱濃差極化。攪拌和升高溫度可減少或消除濃差極化。14第14頁第14頁極化結(jié)果： E陽實(shí) = E陽理 + 陽 (1) E陰實(shí) = E陰理 - 陰 (2)兩電極超電勢之和稱電解池超電壓E超 (over voltage) 。即 E超 = 陽 + 陰 (3)(1)-(2) 得到 E實(shí)分 = E理分+ 陽 + 陰 即 E實(shí)分 = E理分+ E超 15第15頁第15頁電勢 電勢 E正理 E陽實(shí) E正實(shí) 陽 E陽理 E負(fù)實(shí) E理分 E陰理 E負(fù)理 陰 E陰實(shí)

7、電流 電流 原電池極化曲線 電解池極化曲線 16第16頁第16頁影響電極超電勢原因： 1. 電解產(chǎn)物不同，超電勢不同。金屬超電勢較小，氣體超電勢較大,尤其O2和H2 ； 2.電極材料不同，超電勢不同；電極材料相同，而材料表面不同，超電勢也不同； 3. 電流密度大，超電勢大； 4. 溫度越高，超電勢越小。17第17頁第17頁例題: 298K下，將Ag插在0.1mol dm-3 AgNO3 溶液中，Cu插在1.0 mol dm-3 CuSO4溶液中，構(gòu)成原電池。 (1)寫出原電池符號； (2)計(jì)算原電池電動勢E ； (3)用此原電池做電源，電解0.01 mol dm- 3 NaOH溶液，Pt為電極

8、，計(jì)算闡明有無 H2或O2生成？所需數(shù)據(jù)自行查表。(H2在Pt上超電勢為 0.09V,O2在Pt上超電勢為 0.45V)18第18頁第18頁 解: (1)() Cu|Cu 2+(1.0 mol dm-3 ) Ag+ (0.1 mol dm-3 ) |Ag (+) (2) 正極： Ag+e- = Ag E(Ag+/Ag) = E(Ag+/Ag)+0.0592V lg(0.1/1) = 0.7991V - 0.0592V = 0.7399V原電池電動勢：E = E(+) - E(-) = 0.7399V -0.339V = 0.4009 V 負(fù)極： Cu2+e- = Cu E(Cu2+/Cu) =

9、 0.339 V19第19頁第19頁 (3)計(jì)算分解電壓：E(H+/H2) = 0 V +0.0592 V lg(10-12/1) = - 0.7104V 理論分解電壓： E理分=E陽理-E陰理= E(O2/OH-) E(H+/H2) = 0. 5193V -(-0.7104)V= 1. 23VE(O2/OH-)= 0.4009V + lg1/(10-2)4 = 0.5193 V0.0592 V420第20頁第20頁 實(shí)際分解電壓：E實(shí)分 =E理分+E超 = 1.23 + 0.45 + 0.09 = 1.77V 由于原電池電動勢為 0.4009 V，小于實(shí)際分解電壓1.77V ，故不能用作電解

10、電源。21第21頁第21頁4.4.4 電解產(chǎn)物判斷對水溶液，除了有電解質(zhì)正、負(fù)離子外，尚有水中OH 和 H+離子，因此電解時，電極上終歸哪種離子放電呢？ 對熔融液，電解時只有構(gòu)成電解質(zhì)正、負(fù)離子分別在兩極上放電。22第22頁第22頁 主要影響原因有： 1. 放電離子原則電極電勢 2. 離子濃度 3. 電解產(chǎn)物在電極上超電勢。 綜合三者后，在陽極上放電是析出電勢代數(shù)值小還原態(tài)物質(zhì)；在陰極放電是析出電勢代數(shù)值大氧化態(tài)物質(zhì)。23第23頁第23頁鹽類水溶液電解產(chǎn)物普通規(guī)律電極陰 極 (還原)陽 極 (氧化)反應(yīng)物質(zhì)金屬離子或H+離子 金屬或負(fù)離子 1.電動序位于Al后金屬離子放電，析出相應(yīng)金屬; 2.

11、電動序位于Al前包括Al金屬離子不能放電,放電是H+離子,得到H2。 1.除Pt、Au、Cr外，金屬做陽極時，金屬失電子發(fā)生溶解； 2.簡樸負(fù)離子如Cl-、Br-、I-、S2-等離子放電得到相應(yīng)單質(zhì)； 3.復(fù)雜負(fù)離子不能放電,是OH-放電,得到O2。電 解 產(chǎn) 物24第24頁第24頁用石墨做電極電解CuCl2溶液陽極有： OH、Cl陽極反應(yīng)式： 2Cl-= Cl2 + 2e- 陰極有： Cu2 + 、H+陰極反應(yīng)式： Cu2+ 2e- = Cu 25第25頁第25頁用石墨做電極電解Na2SO4溶液 陰極：H+ 、Na+ 陰極反應(yīng)式：2H+ + 2e- = H2結(jié)論：電解活潑金屬含氧酸鹽， 普通

12、來說，電解是H2O。陽極：OH- 、SO42-陽極反應(yīng)式：4OH- = 2H2O + O2+ 4e-26第26頁第26頁 陰極: Ni2+ 、H+ 陰極反應(yīng)式：Ni2+ + 2e- = Ni用金屬鎳做電極電解NiSO4溶液:陽極： Ni、OH- 、SO42-陽極反應(yīng)式：Ni = Ni2+ + 2e- 結(jié)論：陽極為金屬時，普通陽極溶解。27第27頁第27頁1. 金屬精煉 金屬精煉是指獲取高純度金屬一個生產(chǎn)工藝。如精煉銅： 陽極（粗銅） Cu = Cu2+ +2e 陰極（純銅） Cu2+ + 2e = Cu可得99.98純銅4.4.5 電解原理在工程實(shí)際中應(yīng)用28第28頁第28頁 2. 電鍍 電鍍

13、(electroplate)是將一個金屬鍍到另一個金屬表面上過程。電鍍目的是提升金屬耐蝕性、耐磨性、裝飾性、強(qiáng)度、硬度等。 被鍍工件為陰極，欲鍍金屬為陽極，含有陽極金屬離子溶液為電解液。 電鍍時陽極金屬不斷溶解，而陰極工件表面不斷沉積上要鍍金屬。29第29頁第29頁 3. 電鑄電鑄(electroform)與電鍍原理類似，電鑄是為了取得表面復(fù)雜且無法機(jī)械加工工件，如復(fù)制模具、工藝品等。 電鑄層比電鍍層厚得多，通常電鍍層厚度為微米級，電鑄層則以毫米級計(jì)。含有一定強(qiáng)度。30第30頁第30頁 4. 電拋光電拋光(electrolytic polishing)是專門用于提升工件表面光潔度一個電加工辦法

14、。 電拋光時，被拋光工件作陽極，慣用鉛、石墨作陰極，由于工件表面粗糙，通電后表面凸起部分液膜薄，電流密度大，溶解速率大，而凹入部分液膜厚，電流密度小，溶解速率小。通過一段時間，凸起部分溶解，使工件表面達(dá)到平滑光亮，即表面光潔度大大提升。31第31頁第31頁 如鋼鐵工件拋光 電解液由H2SO4 、H3PO4、CrO3等構(gòu)成 ( 陽極工件) ： Fe 2e- = Fe2+6Fe2+ +Cr2O72 +14H+ = 6Fe3+ +2Cr3+ + 7H2OFe2(HPO4) 3 、Fe2(SO4)3 濃度大時，在金屬表面形成液膜 (陰極鉛板) ： 2H+ + 2e- = H2 Cr2O72 + 14H+ + 6e - = 2Cr3+ + 7H2O 使工件表面凹凸部分得以平滑。32第32頁第32頁5. 電解加工 電解加工(electrolysis proceeding)是利用金屬做陽極在電解液中溶解原理，將工件加工成需要形狀。 如圖，陽極為工件，陰極為模具(工具)，兩極間隙為0.11mm,電解液從間隙高速通過。陰極陰極陽極陽極工具工件加工前加工后加工不銹鋼過濾網(wǎng)、篩網(wǎng)，網(wǎng)眼細(xì)小，均勻。33第33頁第33頁 6. 陽極氧化 陽極氧化(anode oxidation)是將作為陽極金屬本身表面氧化，形成一層氧化膜加工過程，又稱電化學(xué)氧化。這種氧化膜